<p>This thesis is concerned with <i>in-situ</i> time-, temperature- and pressure-resolved synchrotron X-ray powder diffraction investigations of a variety of inorganic compounds with twodimensional layer structures and three-dimensional framework structures. In particular, phase stability, reaction kinetics, thermal expansion and compressibility at non-ambient conditions has been studied for 1) Phosphates with composition <i>M</i><i>IV</i>(HPO₄)₂·<i>n</i>H₂O (<i>M</i><i>IV</i> = Ti, Zr); 2) Pyrophosphates and pyrovanadates with composition<i> M</i><i>IV</i>X₂O₇(<i>M</i><i>IV</i> = Ti, Zr and X = P, V); 3) Molybdates with composition ZrMo₂O₈. The results are compiled in seven published papers and two manuscripts.</p><p>Reaction kinetics for the hydrothermal synthesis of α-Ti(HPO₄)₂·H₂O and intercalation of alkane diamines in α-Zr(HPO₄)₂·H₂O was studied using time-resolved experiments. In the high-temperature transformation of γ-Ti(PO₄)(H₂PO₄)·2H₂O to TiP₂O₇ three intermediate phases, γ'-Ti(PO₄)(H₂PO₄)·(2-x)H₂O, β-Ti(PO₄)(H₂PO₄) and Ti(PO₄)(H₂P₂O₇)_0.5 were found to crystallise at 323, 373 and 748 K, respectively. A new tetragonal three-dimensional phosphate phase called τ-Zr(HPO₄)₂ was prepared, and subsequently its structure was determined and refined using the Rietveld method. In the high-temperature transformation from τ-Zr(HPO₄)₂ to cubic α-ZrP₂O₇two new orthorhombic intermediate phases were found. The first intermediate phase, ρ-Zr(HPO₄)₂, forms at 598 K, and the second phase, β-ZrP₂O₇, at 688 K. Their respective structures were solved using direct methods and refined using the Rietveld method. <i>In-situ</i> high-pressure studies of τ-Zr(HPO₄)₂revealed two new phases, tetragonal ν-Zr(HPO₄)₂and orthorhombic ω-Zr(HPO₄)₂ that crystallise at 1.1 and 8.2 GPa. The structure of ν-Zr(HPO₄)₂ was solved and refined using the Rietveld method.</p><p>The high-pressure properties of the pyrophosphates ZrP₂O₇ and TiP₂O₇, and the pyrovanadate ZrV₂O₇were studied up to 40 GPa. Both pyrophosphates display smooth compression up to the highest pressures, while ZrV₂O₇ has a phase transformation at 1.38 GPa from cubic to pseudo-tetragonal β-ZrV₂O₇ and becomes X-ray amorphous at pressures above 4 GPa.</p><p>In-situ high-pressure studies of trigonal α-ZrMo₂O₈ revealed the existence of two new phases, monoclinic δ-ZrMo₂O₈and triclinic ε-ZrMo₂O₈ that crystallises at 1.1 and 2.5 GPa, respectively. The structure of δ-ZrMo₂O₈was solved by direct methods and refined using the Rietveld method.</p>

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Ce travail de thèse vise à étudier les propriétés structurales et diélectriques des échantillons céramiques appartenant au système Ba1-xRxTi1-yZryO3 (R = Ca, Sr). Les échantillons sous forme de poudre, micro ou nano structurées, ont été respectivement obtenus par la méthode des mélanges d'oxydes et la méthode du précurseur polymèrique. À partir des échantillons sous forme de poudre micro ou nano-structurés, les échantillons céramiques ont été obtenus grâce à un procédé de frittage à haute température. Les échantillons sous forme de céramiques en poudres micrométriques ont été obtenus par la méthode traditionnelle de frittage à haute température alors que céramiques constituées de particules de taille nanométrique ont été obtenus en utilisant la technique de Spark Plasma (ou Spark Plasma Sintering, SPS). Les propriétés structurales et électriques de ces deux séries d'échantillons ont été caractérisées par diffraction des rayons X à haute résolution (XRD), spectroscopie d'impédance complexe, spectroscopie d'absorption des rayons X et la spectroscopie Raman. Grâce aux données de diffraction des rayons X il a été possible de suivre le processus de transition de phase dû à la substitution des atomes de titane par du zirconium. Les mesures électriques montrent que lorsque la quantité de Zr augmente, l'échantillon passe d'u n état ferroelectrique normal à un état ferroélectrique relaxeur. Les mesures du spectre d'absorption et le spectre Raman ont été utilisées pour établir une relation entre la structure locale et des propriétés électriques de ces matériaux. Enfin, l'analyse des résultats obtenus avec des céramiques nanostructurés montrent que la réduction de la taille des particules entraîne une diminution de la température maximale et un petit élargissement de la courbe de la permittivité diélectrique. Toutefois, il n'y avait aucun changement de l'état ferroélectrique, normal ou relaxeur, de ces échantillons / The aims of this work is to study the structural and electrical properties of ceramic samples belonging to the Ba1-xRxTi1-yZryO3 (R = Ca, Sr) system. The powder samples presenting a micro or nanosize were respectively obtained by using a mixture of oxides and by the modified polymeric precursor methods. From the samples in a powder form, micro or nanosize, sintered ceramic samples were obtained through a sintering process at high temperature. Micrometer scale ceramic samples were obtained through the traditional method of sintering at high temperature while nano-sized particles ceramics were obtained using the spark Spark Plasma Sintering SPS technique. The structural and electrical properties of these two sets of samples were characterized using High resolution X-ray diffraction (XRD), complex impedance spectroscopy and X-ray absorption and Raman spectroscopy's. Through the data of XRD it was possible to follow the processes of phase transition due to the substitution of Ti by Zr atoms. Electrical measurements showed that as the amount of Zr increases, the sample passes from a normal ferroelectric state to a relaxor state. Measurements of the absorption and Raman spectra were used to establish a relationship between local structure and electrical properties displayed by these materials. These properties were characterized by the shape of the dielectric permittivity curves versus temperatures. Two principal characteristics were analysed : the maximum Tm and the width ∆T. Finally, the analysis of results obtained with nanostructured ceramic samples showed that reducing the particle size leads to a decrease of Tm, and a small increase of ∆T. However, there was no change from normal to relaxor ferroelectric states

Il y a actuellement un vif intérêt pour des méthodes rigoureuses qui effectuent l’analyse électromagnétique des milieux diélectriques avec une distribution de permittivité diélectrique complexe. L’intérêt est motivé par des applications actuelles et futures dans la conception et la fabrication d’éléments optiques et optoélectroniques. Le niveau que les technologies de microstructuration ont maintenant atteint requiert des appels pour méthodes numériques rapides, économes en mémoire et rigoureuses capables de résoudre et d’optimiser des grandes parties de structures dont les caractéristiques représentent la fonction optique de la structure complète. Bien que la majorité des problèmes de modélisation en microoptique sont non périodiques (par exemple, une section d’une couche diffusante d’OLED, la cellule d’un réticule microélectronique, une microlentille diffractive de haute NA), ils peuvent être efficacement résolus par la périodisation de la distribution de l’indice. Une nouvelle méthode numérique puissante pour la modélisation exacte de structures périodiques 2D est décrite avec toutes les fonctionnalités et les expressions nécessaires à son exécution. La puissance de cette méthode est dans sa forme spécifique unique qui permet d’appliquer rapidement des algorithmes numériques et, par conséquent, de diminuer de façon spectaculaire la complexité de calcul en comparaison avec les méthodes établies. La comparaison avec des solutions de référence a montré que, d’abord, la nouvelle méthode donne les mêmes résultats que celles-ci sur les structures de référence et, d’autre part, que le temps de calcul nécessaire et le recours en mémoire représentent une percée vers la résolution de grandes structures périodiques ou périodisées. La méthode développée a été appliquée à analyser le problème de diffusion non périodique d’une couche diélectrique plan avec micro / nanoparticules sphériques. Une référence numérique proposée a démontré la possibilité d’obtenir environ 1% de précision. En outre, il a été développé un modèle numérique basé sur des matrices S pour la simulation des structures planes électroluminescentes. La validité de la méthode a été démontrée par comparaison avec les résultats expérimentaux. Enfin, les deux méthodes de calcul de la diffusion de la lumière et de simulation des structures multicouches ont été groupées, et une couche diffusante a été démontrée augmentait l’efficacité externe d’une OLED de quelques pour cents / There is presently a strong interest for rigorous methods that perform the electromagnetic analysis of dielectric media with complex dielectric permittivity distribution. The interest is motivated by both present and future applications in the design and manufacturing of optical elements and optoelectronic devices. The level that the microstructuring technologies have now reached calls for fast, memory sparing, and rigorous numerical methods capable of solving and optimizing large structure parts whose characteristics do represent the optical function of the whole structure. Although the majority of modeling problems in microoptics are non-periodic (e.g., a section of an OLED extraction layer, the cell of a microelectronic reticle, a high NA diffractive microlens) they can be efficiently solved by periodizing the index distribution. A new powerful numerical method for the exact modeling of 2D periodic structures is described with all features and expressions needed to implement it. The power of this method is in its unique specific form which permits to apply fast numerical algorithms and, consequently, to decrease dramatically the calculation complexity in comparison with established methods. The comparison with reference solutions has shown that, first, the new method gives the same results as the latter on benchmark structures and, secondly, that the needed calculation time and memory resort represent a breakthrough towards solving larger periodic or periodized structures. The developed method was applied to analyze nonperiodic scattering problem of a plane dielectric layer with spherical micro/nanoparticles. Proposed numerical benchmark demonstrated the possibility to get about 1% accuracy. In addition there was developed a numerical S-matrix based method for planar electroluminescent structures simulation. Validity of the method was demonstrated by comparison with experimental results. Finally both methods for the light scattering calculation and multilayer structures simulation were joined, and a scattering layer was demonstrated to increase an OLED external efficiency by several percent

Cette thèse est consacrée à l’étude fondamentale et au développement de micro-sources lasers en matériaux organiques, susceptibles de débouchés dans les technologies de l’information et les biotechnologies. Nous avons exploré l'aspect tridimensionnel (3D) de ces lasers, tant en termes de fabrication que de caractérisation. Concernant la fabrication, nous avons fait évoluer la géométrie des microlasers, auparavant quasi-bidimensionnelle (2D, issue de films fins) vers une géométrie 3D (comme des cubes). Des procédés de lithographie UV épaisse ou d’écriture directe au laser par photo-polymérisation à 2 photons ont été adaptés pour réaliser des formes sur mesure de micro-résonateurs optiques incluant un colorant. Afin d'étudier l'émission très anisotrope de ces lasers, nous avons conçu et développé un outil original, appelé scanner à angle solide (SAS), permettant de collecter l'émission d’un microlaser dans toutes les directions du demi-espace qui le surplombe, avec une grande précision. Le SAS a permis de constater que les microlasers 2D émettent principalement hors-plan. Un modèle a été développé pour expliquer cet effet et émettre des prédictions. D’autre part, différentes formes de microlasers 2D ont été analysées, à partir de leurs directions et spectres d’émission, grâce au formalisme semi-classique des orbites périodiques. En particulier, une orbite diffractive a été observée dans les triangles, ce qui ouvre la voie à une étude systématique de la diffraction par un coin diélectrique. Nous apportons également une explication à la directionalité de l’émission par des microlasers carrés. Pour finir, les premières caractérisations 3D de micro-lasers 3D ont été réalisées. / We investigate in this thesis fundamental and applied properties of solid-state laser micro-sources made of organic materials, with possible applications to information and biosensing technologies. We explored three-dimensional features pertaining both to fabrication and characterization of such lasers. Regarding the fabrication, we extended the geometry of organic microlasers, previously restricted to quasi-two-dimensional (2D) as from thin film patterning, onto full 3D structures such as cubes. Deep UV lithography and direct laser writing with two-photon-polymerization processes have been adapted in order to fabricate customized shapes, which incorporate a laser dye. To study the highly anisotropic emission from these lasers, we conceived a new set-up, called solid angle scanner (SAS), allowing for high angular accuracy detection of the emission from a micro-laser in all directions in space. When applied to 2D micro-lasers, SAS measurements allowed us to observe that they emit mainly out of their plane. We developed a model to account for this effect and infer predictions. Moreover, various shapes of 2D micro-lasers have been investigated, through the angular and spectral features of their emission, with experiments satisfactorily connected to a semi-classical theoretical approach of periodic orbits. We paid special attention to triangular shapes, for which a diffractive orbit was observed, opening the way to the study of diffraction by a dielectric corner. We also propose an explanation for the directionality of the emission by square micro-lasers. Finally, 3D characterizations of solid state 3D organic micro-lasers are presented for the first time to our knowledge.

L'objectif principal de ce travail est l'étude fondamentale de nanostructures à base de carbone individuelles dans le but d'améliorer la compréhension de leurs propriétés vibrationnelles et optiques intrinsèques ainsi que d'estimer et de quantifier les effets d'environnement. Dans ce but, nous avons synthétisé des nanotubes de carbone mono- et multi-feuillets par décomposition catalytique en phase vapeur sur des substrats dédiés. L'aspect principal du travail est basé sur l'utilisation combinée de plusieurs sondes expérimentales sur la même nanostructure carbonée individuelle. Nous avons effectué une analyse structurale complète par diffraction électronique et microscopie électronique haute résolution et mesuré les spectres Raman de ces nanostructures individuelles. Plusieurs effets environnementaux importants ont été mis en évidence pour la première fois, comme par exemple l'effet d'un couplage mécanique (due à l'interaction de van-der-Waals) entre les parois des nanotubes bi-feuillets conduisant à une modification des modes Raman de basse fréquence et des conditions de résonances optiques. De plus, le comportement des modes de haute fréquence des nanotubes bi-feuillets a été analysé. Suite à ce travail plusieurs critères expérimentaux permettant un diagnostic de la structure des nanotubes multi-feuillets ont été proposés. / The main objective of this work is the fundamental physical study of individual isolated carbon nanostructures in order to address their intrinsic vibrational and optical properties and also to estimate and quantify the environmental effects. For these purposes, we synthesized individual single- and multi-walled carbon nanotubes by chemical vapour deposition method on dedicated substrates. The main aspect of the work involves the combined use of different experimental probes on the same individual nanostructures. We performed a complete structure analysis by electron diffraction and high-resolution electron microscopy and the measurement of the Raman spectra on these individual nanostructures. Several important environmental effects were evidenced for the first time, e.g. the effect of mechanical coupling (van-der-Waals interaction) between the layers of double-walled carbon nanotubes leading to the change in the low-frequency Raman modes and the optical resonance conditions. Moreover the behaviour of high-frequency modes of double-walled tubes was also analysed and described. As a result of this work several experimental criteria for structure diagnostics of multi-walled carbon nanotubes were proposed.